Chlazení elektronek I
Elektronky se oteplují ztrátovým výkonem, který vzniká na anodě a na kladně nabitých mřížkách a výkonem, který je potřebný pro žhavení katody. Cílem chlazení je udržet oteplení elektrod a izolačních částí v určitých mezích, aby nedošlo k poškození elektronky, případně ke zkrácení její životnosti a spolehlivosti.
Při přehřátí elektronky hrozí uvolnění plynů z elektrod a baňky, porušení funkce getru, elektrolýza skla mezi kolíky patice elektronky, deformace elektrod, změknutí či protavení baňky, vznik prasklin v zátavech, poškození spojů mezi kovovými a izolačními částmi a případně propálení anody.
Používají se následující způsoby chlazení elektronek.
Chlazení vedením
Tento způsob chlazení se u elektronek -na rozdíl od polovodičových součástek- používá jen ve vzácných případech. Elektronka má vnější anodu, která je přes dobře tepelně vodivou izolační podložku, například z beryliové keramiky, připevněna na chladič. U některých typů je keramická destička přímo součástí elektronky.
Chlazení vyzařováním
Odvod ztrátového tepla pouze vyzařováním se používá u elektronek se skleněnou baňkou do ztrátového výkonu cca 1500W. Přitom se předpokládá otevřená konstrukce a nerušená cirkulace vzduchu. V některých případech je nutné dodatečné chlazení zátavů či celé elektronky. Vzdušný proud se pak vhodně usměrňuje komínem, umístěným nad elektronkou, nebo zvonem, který obklopuje elektronku. Vývod anody se také, zejména při práci na vyšších frekvencích, opatřuje chladičem.
Anody elektronek jsou zvláště upraveny pro dobré vyzařování tepla, jsou například pokryty zirkonem a jejich povrch je zvětšen žebry, nebo mohou být z grafitu. Teplota anody za provozu může dosáhnout až 850°C, její barva je v takovém případě světle třešňová až červená. Dovolená teplota baňky je do 350°C, anodové průchodky 220°C a průchodek na patce elektronky 180°C.
Obr. 1 Elektronka s přídavným vzduchovým chlazením.
Vzduch nejprve ochlazuje patici elektronky a pak je soustředěn zvonem kolem skleněné baňky. Na vývodu anody je přídavný chladič.
Vzduchové chlazení
Vzduchem chlazené elektronky mají vnější anodu, která je opatřena chladicími žebry. Zpravidla se jedná o axiální žebra. ale mohou být i radiální. V každém případě je snahou získat velký povrch, vystavený proudu vzduchu. Vzduchové chlazení se používá od ztrátového výkonu cca 150W až do 40kW.
Elektronka je v zařízení posazena na dutý izolátor, nebo je zasunuta do speciální objímky, která má izolační límec. Směr pohybu chladicího vzduchu má být takový, že nejdříve chladí zátavy (patici) elektronky, až poté anodu. Pokud je směr pohybu obrácený, je nutné zmenšit anodovou ztrátu asi o 15%. Elektronky vyšších výkonů se opatřují zvonem, který nutí chladicí vzduch obtékat oblast zátavů.
Za normálních podmínek je potřebné množství vzduchu cca 1m3 za minutu na 1kW anodové ztráty. Přitom je oteplení chladicího vzduchu přibližně 50°C. Teplota povrchu anody bývá 220÷300°C. Potřebné množství chladicího vzduchu závisí na jeho teplotě a nadmořské výšce (tlaku); s rostoucí teplotou a nadmořskou výškou se zvyšuje. Chladicí vzduch se musí na vstupu do zařízení zbavit prachu vhodným filtrem.
Obr.2 Vzduchové chlazení
Vzduch se nasává přes filtr na vrcholu skříně. Nejdříve ochlazuje zátavy a pak prochází přes axiální chladicí žebra. Elektronka je posazena na izolátor. Vpravo je fotografie vzduchem chlazené tetrody s axiálními chladicími žebry.
Vodní chlazení
Vodní chlazení se používá u elektronek od anodové ztráty 5kW až do nejvyšších výkonů. Měděná vnější anoda elektronky je vsazena do chladicího pláště (u moderních elektronek je přímo součástí elektronky), kterým proudí chladicí voda. Protože anody elektronek mají proti zemi vysoký kladný potenciál, musí se k chlazení použít destilovaná nebo deionizovaná voda, která obíhá v uzavřeném okruhu. Chladicí voda se k elektronce přivádí i odvádí dlouhou izolační trubkou, aby měl vodní sloupec v trubce dostatečný odpor. Délka vodního sloupce je běžně několik metrů, takže trubka bývá z rozměrových důvodů stočena do tvaru meandru nebo spirály. Proud, který teče od anod vodním sloupcem má elektrolytický účinek. Aby se zabránilo elektrolytické korozi, opatřuje se izolační potrubí na straně anody zvláštní vložkou. Destilovaná voda se ochlazuje v chladiči vzduchem nebo sekundární vodou.
Potřebné množství chladicí vody je zhruba 1 litr za minutu na 1kW anodové ztráty; oteplení chladicí vody je přitom 15°C. Teplota vody na výstupu z elektronky obvykle nesmí překročit 65°C, teplota povrchu anody je do 90°C.
Obr.3 Vodní chlazení elektronky
Voda se čerpá z nádrže přes filtr, izolační trubku a vložku proti elektrolytické korozi na anodu elektronky. Ohřátá voda se přes průtokoměr a chladič vrací do nádrže.
Odparné chlazení
Jak již název napovídá, využívá se při tomto druhu chlazení odpařování vody. Voda má tak velké výparné teplo, že účinnost chlazení je mnohonásobně vyšší než u vodního chlazení. Potřebné množství chladicí vody je zhruba 0,03 litru za minutu na 1kW anodové ztráty. Další výhodou je to, že systém nevyžaduje čerpadlo, protože cirkulace chladiva je zajištěna odpařováním. Chladič, ve kterém voda kondenzuje, je relativně malý, protože pracuje s velkým teplotním spádem. Izolační trubky, kterými proudí chladicí voda a pára, mohou být zcela krátké (0,5m), neboť množství přiváděné vody je malé, takže stačí malý průřez trubky a na druhé straně má unikající pára relativně malou vodivost.
Anody elektronek pro odparné chlazení mají zvláštní tvar. Jeden typ používá anodu s výstupky, které zvětšují její povrch a zabraňují vzniku blánového varu, kdy se mezi chlazeným povrchem a vodou vytvoří izolační vrstva páry. Druhý typ má tlustou anodu, provrtanou rovnoběžně s osou chladicími kanálky. Za provozu je taková anoda ponořena do vody asi ze dvou třetin. Pára vznikající v kanálcích proudí vzhůru a strhává s sebou i vodu, která se tak zespoda samočinně doplňuje. Teplota povrchu anody je do 110°C.
Obr. 4 Odparné chlazení
Pára, vzniklá v kanálcích anody se odvádí přes izolační trubku do chladiče. Kondenzovaná voda se vede zpět potrubím a izolační trubkou do odpařovací nádoby. Součástí chladicího systému je nádrž s kontrolním plovákem a zásobní nádrž. Vpravo jsou obrázky dvou elektronek pro odparné chlazení. První má tzv. ananasovou anodu, druhá anodu kanálkovou.
Kondenzační chlazení
Kondenzační chlazení je kombinací vodního a odparného chlazení. Anoda elektronky, která je v axiálním směru omývána vodou, v sobě má hluboké radiální drážky, ve kterých probíhá vlastní chladicí proces. Voda v drážkách se odpařuje a vzniklá pára uniká velkou rychlostí z drážky do rychlého vodního proudu na vnějšku anody. Ten ji strhne a v turbulentním proudění pára okamžitě kondenzuje, přičemž předá vodě svoje skupenské kondenzační teplo. Oba procesy výměny tepla, odpařování a kondenzace, se odehrávají již v samotných drážkách, odpařování však probíhá především v nejhlubších místech chladicí drážky.
Teplota na vnější straně anody je kolem 100°C, teplota na povrchu chladicího kanálku mezi 135÷250°C. Potřebné množství chladicí vody je zhruba 0,5 litru za minutu na 1kW anodové ztráty. Voda v chladicím okruhu má přetlak cca 150kPa.
Obr. 5 Princip kondenzačního chlazení
V praxi se některé způsoby chlazení kombinují. Anoda elektronky může být například chlazena vodou, a oblast průchodek se ofukuje vzduchem. Také není neobvyklé, že výrobce nabízí elektronku ve dvou provedeních, která se liší způsobem chlazení; jedna, s nižší anodovou ztrátou, je chlazena vzduchem, druhá má například odparné chlazení.
Uvedené způsoby chlazení elektronek se týkají typů s anodovou ztrátou od desítek wattů do stovek kW. Problémům chlazení přijímacích a malých zesilovacích elektronek je věnován zvláštní článek.